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KFX 엔진 강력 후보 GE F414


KFX 사업과 F414 엔진

 

1. F414 엔진에 적용된 신기술

 

C103 기반 KFX의 엔진으로 검토되고 있는 시스템은 GEF414 엔진과 유로제트(Eurojet)EJ200 엔진이다. 서로 비교 우위를 갖는 점이 조금씩 다르기는 하지만 양자 모두 첨단 기술이 적용된 고성능 엔진으로, 해면 고도 추력(최대 추력, Mil 추력)과 추력 중량비 등 서로 비슷한 부분이 많다.

 

F414 엔진이 KFX에 통합되었을 때 어떠한 이점이 있는지 기술하기에 앞서서 F414 엔진에 어떠한 새로운 기술이 도입되었는지에 대해서 먼저 간략하게 살펴보면 다음과 같다.

 

1987년부터 시작된 IHPTET(Integrated High Performance Turbine Engine Technology) 프로그램은 F414 엔진 개발에도 영향을 미쳤다. 이 프로그램은 엔진 자체의 추력 중량비와 (전투기 엔진의 경우) 낮은 Bypass ratio, 그리고 낮은 SFC(Specific Fuel Consumption) 등이었다.

 

이는 F404 엔진의 코어를 기반으로 설계되는 F414 엔진에도 적용되었다. 이 때문에 F414 엔진은 해면 고도 기준으로 엔진 자체 추력 중량비가 9 : 1를 상회하는 엔진이 되었다.

 

현재까지 개발된 전투기 탑재 엔진 중에서 F414 수준의 엔진 추력 중량비를 갖는 시스템은 유로파이터 타이푼에 탑재된 EJ200 엔진이 거의 유일하다. F-22A에 탑재된 F119 엔진의 경우 추력 중량비가 8 : 1을 약간 상회하는 수준이다. 라팔에 탑재된 M88 엔진이 8.5 : 1, F-15/16에 탑재된 F100/110 계열 엔진은 추력 중량비가 대략 7 : 1 ~ 8 : 1 수준이다.

 

해면 고도에서 최대 추력이 F414를 상회하는 F100 엔진과 F110 엔진의 경우 추력 중량비가 8 :1에 채 미치지 못한다는 것은 이들이 F414 엔진보다 무거운 엔진이라는 것을 의미한다. Mil 추력(최대 Dry 추력)을 기준으로 할 때에는 F100/110 엔진과 F414 엔진의 추력 중량비 격차가 더욱 커지게 된다.

 

이와 같이 F414가 다소 경량화된 시스템으로 설계되어 추력 중량비가 큰 것은 IHPTET 프로그램이 효율성이 높은 코어를 설계하는 것을 목표로 했기 때문이다.

 

코어의 효율이 보다 높기 때문에 (추력이 F100과 비교할 때 더 적다는 점을 감안하더라도) 압축기와 터빈의 stage가 더욱 적다. 이와 같이 효과적인 압축기 / 터빈 블레이드 형상 설계와 FADEC 엔진 제어 로직의 설계로 인해 코어의 효율이 높아진 것은 신소재 적용과 더불어 F414 엔진을 경량화된 엔진으로 설계하는데 일조하였다. F414 엔진의 추력 중량비가 더욱 큰 최대 추력을 갖는 F100, F110 등의 그것보다 더욱 큰 이유는 이 때문이다.

 

FADEC에 의한 정밀한 엔진 제어와 블리스크(Blisk) 팬의 도입으로 압축 효율이 증가하면서 엔진의 연비가 F404보다 더욱 개선되었다. 우수한 연비를 자랑하는 F404 엔진과 비교하면 순항 속력에서 SFC3% 가량 감소하였다.

 

2. 공대공 교전 시의 이점

 

F404 엔진과 F414 엔진의 고도 / 속도의 변화에 따른 최대 추력 변화 비교 차트를 살펴보면, 5천 피트 이하 고도에서는 추력 차이가 평균적으로 13% ~ 17% 정도이지만, 2만 피트가 넘는 고도에서는 20% 이상 추력 차이가 발생한다. 이 때문에 동일 플랫폼에 F414 엔진을 탑재할 경우 F404를 탑재할 때와 비교하면 고고도에서 더욱 큰 비행포위선(Flight Envelope)를 갖게 된다.

 

물론 여기에는 반론이 있을 수 있다. F414 엔진을 탑재한 F/A-18E/FF404 엔진을 탑재한 F/A-18C/D를 비교하면 후자가 오히려 비행포위선이 크기 때문이다. 그러나 이는 서로 동일한 플랫폼이 아니기 때문에 엔진 성능 자체를 비교할 근거는 되지 못한다. 이와 같은 차이는 F/A-18E/FF/A-18C/D보다 더욱 항력이 크고 무겁기 때문에 동일 고도 / 속력에서 1G를 유지하는데 필요한 추력 중량비가 더 크기 때문이다. 이는 동일 조건에서 양항비는 더 작다는 것을 의미한다.

 

F404 엔진이 KFX와 관계가 없음에도 비교 대상으로 언급하는 이유는 F414 엔진이 어느 정도의 성능 향상이 이루어졌는지 파악하기 위함이다.

 

BVR 교전을 위해 2만 피트 이상의 고도를 확보한 상태에서 1G에서 에너지(고도와 속력) 유지가 가능한 최대 속력이 더 크기 때문에 추력으로 축적 가능한 에너지 한계가 더 크다.

 

고고도에서 기반이 되는 엔진보다 추력 격차가 더욱 크기 때문에 고고도 / 고속 영역에서 에너지 유지 또는 고도가 증가하도록 선회함으로써 속력 유지가 가능한 하중배수 한계가 대체로 더욱 증가하였다. 동일 플랫폼에 F414 엔진보다 추력이 더욱 증가한 F110 엔진을 탑재한 경우와 비교해도 마하 1.0 ~ 마하 1.2 정도에서 에너지 유지 또는 증가가 가능한 영역은 더 클 것이다.

 

특히 지금의 F414 엔진보다 20% 가량 추력이 증가한 F414EPE 엔진(EPE : Enhanced Performance Engine)을 탑재할 경우 에너지 유지가 가능한 Envelope는 더욱 증가하게될 것이다.

 

이는 F414 엔진을 탑재한 KFXBVR 교전 시에 에너지를 축적한 상태에서 에너지를 유지 또는 증가시키며 중거리 공대공 미사일을 발사할 수 있는 위치 점유 기동성이 우수하다는 것을 의미한다.

 

또한 F414 엔진의 고고도에서 추력이 크기 때문에 이를 탑재한 플랫폼이 대기압이 낮은 고도에서 상승할 때 상승률 유지가 가능한 상승각이 크다는 점도 BVR 교전 시 적기보다 에너지 우위를 확보하는데 큰 보탬이 된다.

 

고고도에서 근접 공대공 전투 시에는 F414 엔진의 FADEC과 고효율 코어, 그리고 고고도에서 추력이 높다는 점이 이점이 될 것이다. KFX는 스텔스 성능을 염두에 두고 설계되며, 따라서 F-15 등과 달리 높은 TPR(Total Pressure Recovery)과 고받음각에서 안정적인 공기 흡입을 위한 가변 인테이크는 도입되지 않을 것이다. 또한 일부 4.5 세대 전투기의 형상에 존재하는 고받음각에서 기류 유도를 위한 형상이나 스트레이크 밑에 흡입구를 두는 설계도 KFX에는 도입되지 않을 것이다. 이는 앞전 스트레이크 등이 스텔스 성능에 좋지 않은 영향을 주기 때문이다.

 

따라서 엔진이 고받음각에서 얼마나 효과적으로 작동하는지 여부가 KFX의 순간 선회성능에 큰 영향을 주게 될 것이다. 이는 FLCS에 세팅해야 하는 받음각 한계와도 무관하지 않기 때문이다. 물론 코너 속력에서의 받음각이 전투기의 최대 받음각(FLCS에 세팅된 최대 받음각)보다는 작다. 그러나 최대 받음각이 클수록 전투기의 정안정성 완화를 허용할 수 있는 여지가 크기 때문에 최대 받음각이 클 수록 코너 속력도 대체로 더욱 낮아진다고 생각해도 무방할 것이다.

 

고받음각에서 엔진이 효과적으로 작동한다는 점에서 F414의 경쟁 기종인 EJ200 엔진이 높은 평가를 받고 있다. F414 엔진 또한 이 점에서 우수한 성능을 보유한 시스템이다. 이는 동 엔진이 높은 순간 선회율이 중시된 F/A-18E/F에 탑재될 목적으로 개발된 시스템이기 때문이다. F/A-18E/F뿐만 아니라 JAS-39E/F에도 F414 엔진이 통합되는데, 이 항공기 또한 순간 선회율이 중시된 설계를 보유한 항공기이다(그리펜의 순간 최대 선회율은 대략 초당 30도로 현용 전투기 중 가장 높은 편에 속한다).

 

이와 같이 F414 엔진이 고받음각에서 효과적으로 작동할 수 있는 것은 FADEC과 유체 역학적으로 우수한 형상의 팬 블레이드를 보유한 일체화된 블리스크(Blisk) 덕분이라고 할 수 있다.

 

F404 엔진의 FADEC을 개선한 F414FADEC은 정밀하게 엔진을 제어하여 엔진으로 유입되는 기류의 받음각이 클 때 압축기에서 실속(Stall)이 발생하지 않도록 여러 단계의 압축기 팬을 조합하게 된다. 다수의 블레이드의 받음각을 일일히 제어해야 하는 기존의 엔진(가령 F100F110)과 달리 F414는 압축 단계에서 불필요한 동작이 발생할 여지가 없기 때문에 압축 단계에서 에너지를 잃을 잔여 기류(자칫 엔진 실속을 야기할 수 있으며 심할 경우 Surge를 야기할 수 있다)를 최소화할 수 있다. 엔진 내부에서 잔여 기류가 발생할 경우 이를 신속하게 엔진 외부로 배출하는 것 또한 F414FADEC에 의한 제어를 통해 이루어지며, 이 때문에 고받음각에서 엔진 내부로 유입되는 기류가 감소하거나 유입 방해가 일어날 여지를 최소화할 수 있다.

 

고고도에서 높은 추력 덕분에 코너 속력 근처에서 잉여 파워가 마이너스 영역으로 (상대적으로) 깊게 진입하지 않는다는 점도 F414 엔진이 KFX에 탑재될 때의 장점이 될 수 있다. 이는 저속에서 타이트한 선회로 인한 에너지 저하가 상대적으로 작고 선회 기동 후 에너지 회복 면에서 유리할 수 있기 때문이다.

 

3. 공대지 작전 시의 이점

 

KFXF-35와 체적은 비슷하면서 쌍발 엔진을 채용하기 때문에 IWB(Internal Weapon Bay) 체적에 할당할 수 있는 공간 여유는 부족한 편이다. 이 때문에 공대지 임무 시 체적이 큰 공대지 무기는 부득이하게 외부 무장 스테이션에 탑재해야할 것으로 보인다. 이 때문에 KFX가 공대지 임무에 한해서 저고도 비행을 필요로 하는 경우가 많을 것이다.

 

저고도 비행 시의 실제적인 행동반경은 단순한 비행 Profile을 바탕으로 계산한 최대 행동반경과 다소 차이가 있다. Mil 추력에서 에너지를 유지하며 선회할 수 있는 Envelope, 특히 저속에서 Mil 추력으로 에너지를 유지하며 선회할 수 있는 영역이 클 수록 저고도 침투로 원거리 공대지 공격을 하는데 유리하다. 공대지 임무 Configuration에서 항력과 무게 증가, 그리고 상대적으로 낮은 추력(Mil 파워이기 때문) 때문에 이러한 에너지 유지가 가능한 영역은 크게 축소될 수밖에 없다. 스티어링 포인트에서 다음 스티어링 포인트를 향해 침로를 크게 변경해야 할 때 Mil 파워가 부족한 전투기는 속력 손실이 발생하여 이를 애프터 버너를 가동하여 회복하거나 또는 고도를 더욱 떨어뜨려야 한다. 결국 이런 전투기는 스티어링 포인트가 증가할 수록 항력이 크게 증가하는 것과 흡사한 악영향을 받게 되는 것이다.

 

이 점에서 Mil 파워가 높은 F414 엔진 2기를 탑재하는 것은 KFX의 공대지 공격력 측면에서도 좋은 선택이 될 수 있을 것이다. 공대지 임무 비행 시에 연비가 우수한 시스템인 F404 엔진보다 더욱 연비가 개선되었다는 점도 F414의 장점이 될 수 있을 것이다.

 

4. 장기적인 운용

 

F414 엔진의 가장 큰 장점은 무엇보다 미 해군에서 대량으로 채택하여 장기간 운용하는 시스템이라는 점이다. 이 시스템을 탑재한 F/A-18E/F 전투기를 미 해군이 대량으로 보유하고 있다. 또한 미 해군과 호주 공군이 슈퍼 호넷을 장기간 운용할 예정이며, 역시 F414를 탑재한 JAS-39E/F 또한 장기간 운용될 전투기이다. 따라서 F414 엔진을 KFX에 채택할 경우 추후 장기간 안정적인 군수 지원 측면에서 유리할 것이다.

 

글 - 신선규

  

2014년 12월11일 02시23분  

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